氢分子可化身量子传感器具有前所未有的时间和空间分辨率

2022年4月21日，在《科学》杂志上，UCI物理与天文学系和化学系的研究人员描述了他们如何将两个结合的氢原子置于STM的银尖和一个由平坦的铜表面排列的氮化铜小岛组成的样品之间。通过持续时间仅为万亿分之一秒的激光脉冲，科学家们能够激发氢分子，并在低温和仪器的超高真空环境下检测其量子态的变化，呈现出样品的原子级时空图像。

"该项目代表了测量技术和该方法允许我们探索的科学问题的进步，"共同作者、Donald Bren物理学与天文学和化学教授Wilson Ho说。"依靠探测两级系统中状态的相干叠加的量子显微镜比不基于这种量子物理原理的现有仪器要敏感得多。"

Ho说，氢分子是一个两级系统的例子，因为它的方向在两个位置之间转换，即上下和稍微水平倾斜。通过一个激光脉冲，科学家们可以哄骗该系统以循环的方式从基态到激发态，从而形成两种状态的叠加。循环振荡的持续时间非常短暂--仅持续几十皮秒--但通过测量这个"退相干时间"和循环周期，科学家们能够看到氢分子是如何与其环境互动的。

负责组装和使用配备太赫兹激光器的扫描隧道显微镜的UCI团队，从左到右分别是：UCI物理与天文学博士生Bai Dan；Bren物理与天文学和化学教授Wilson Ho；物理与天文学博士生Xia Yunpeng；以及化学博士生Wang likun。

"氢分子成为了量子显微镜的一部分，因为无论显微镜扫描到哪里，氢都在尖端和样品之间，它使一个极其敏感的探针，使我们能够看到低至0.1埃的变化。在这种分辨率下，我们可以看到样品上的电荷分布如何变化。"

STM尖端和样品之间的空间几乎小得难以想象，大约6埃或0.6纳米。Ho和他的团队组装的STM配备了检测在这个空间流动的微小电流，并产生光谱读数，证明氢分子和样品元素的存在。这个实验代表了基于太赫兹诱导的整流电流通过单个分子的化学敏感光谱学的首次展示。

基于氢的量子相干性在这一层次上表征材料的能力在催化剂的科学和工程方面可以有很大的用处，因为它们的功能往往取决于单原子规模的表面缺陷。

研究的主要作者、UCI物理与天文学专业的研究生Likun Wang说："只要氢气可以被吸附在一种材料上，原则上，你可以用氢气作为传感器，通过观察它们的静电场分布来描述材料本身。"

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